Silicio


Símbolo: Si
Clasificación: Elementos carbonoides Grupo 14 Metaloide
Número Atómico: 14
Masa Atómica: 28,0855
Número de protones/electrones: 14
Número de neutrones (Isótopo 28-Si): 14
Estructura electrónica: [Ne] 3s2 3p2
Electrones en los niveles de energía: 2, 8, 4
Números de oxidación: -4, +2, +4
Electronegatividad: 1,90
Energía de ionización (kJ.mol-1): 786
Afinidad electrónica (kJ.mol-1): 134
Radio atómico (pm): 118
Radio iónico (pm) (carga del ion): 26 (+4), 271 (-4)

Entalpía de fusión (kJ.mol-1): 39,6
Entalpía de vaporización (kJ.mol-1): 383,3
Punto de Fusión (ºC): 1414
Punto de Ebullición (ºC): 3265
Densidad (kg/m3): 2329; (20 ºC)
Volumen atómico (cm3/mol): 12,06
Estructura cristalina: Cúbica
Color: El silicio cristalino es gris con brillo metálico. El amorfo es marrón.
Propiedades comparadas



Isótopos: Tres isótopos naturales: 28-Si (92,23%), 29-Si (4,67%) y 30-Si (3,10%). Los períodos de semidesintegración de los otros dieciocho isótopos inestables oscilan entre los 6 milisegundos (22-Si) y los 150 años (32-Si).
Descubierto en: 1822
Descubierto por: Berzelius (silicio amorfo) y Deville (1854) (silicio cristalino)
Fuentes: Sílice y otros minerales: olivino [(Mg,Fe)2(SiO4)], granate [Ca3Al2(SiO4)3], espodumena [(LiAl)(Si2O6)], talco [Mg3(Si4O10)(OH)2],.....
Usos: Semiconductores (hiperpuro o dopado con boro, galio, fósforo o arsénico): transistores, células solares, rectificadores y otros dispositivos de estado sólido; vidrios, material refractario, porcelanas, cementos, aleaciones (ferrosilicio). El silicio amorfo hidrogenado se emplea en células solares
Curiosidades sobre el elemento: En 1800, Davy comprende que la sílice no es un elemento, sino un compuesto; en 1811, Gay Lussac y Thenard, probablemente prepararon silicio amorfo impuro calentando potasio con tetrafluoruro de silicio. En 1824, Berzelius, que se considera descubridor, preparó silicio amorfo por el mismo método y purificó el producto eliminando, mediante repetidos lavados, los fluorosilicatos. En 1845, Deville preparó por primera vez silicio cristalino, la otra forma alotrópica.
The Silicon Valley (El Valle del Silicio) en California se denomina así por este elemento (hay múltiples empresas trabajando con semiconductores). El silicio está presente en el Sol y las estrellas y es un componente importante de los aerolitos (una clase de meteoritos). También se encuentra en las tectitas, una clase de vidrio natural de origen desconocido.
En la Tierra es, después del oxígeno, el segundo elemento más abundante de la corteza (28,2% en peso), aunque no se encuentra libre sino como óxido (sílice) (SiO2) (en todas sus variedades: arena, cuarzo, cristal de roca, amatista (con impurezas de Fe3+), ágata, pedernal, jaspe y ópalo) y silicatos ( grupo SiO3-2, sin duda alguna, el grupo más importante y variado de los minerales sobre la Tierra; algunos de ellos son: granito (cuarzo, feldespato y mica), hornblenda [Ca2Mg5(Si8O22)(OH)2, con sustituciones de Ca por Na, Mg por Fe2+, Fe3+, Mn2+, Al, Ti, Si por Al, OH por F], asbestos [crisotilo (Mg6Si4O11(OH)6.H2O)], feldespatos [ortoclasa (KAlSi3O8), albita (NaAlSi3O8), anortita (CaAl2Si2O8)], arcilla [ver aluminio], micas [montmorillonita (Al2Si4O10)(OH)2 con MgO y CaO), moscovita (KAl2[Si3AlO10][OH,F]), biotita (K[Mg,Fe+2][Si3O10(Al,Fe3+)[OH]2)], sepiolita [Mg2Si3O8.2H2O], caolinita [Al2Si2O5(OH)4], talco [Mg3(Si4O10)(OH)2], espodumena [LiAlSi2O6], berilo [Be3Al2Si6O18], wollastonita [CaSiO3], titanita [Ca(SiO4)TiO], circón [ZrSiO4], granate [Ca3Al2Si3O12], topacio [Al2(SiO4)(F2)], olivino [(Mg,Fe)2SiO4], fenaquita [Be2SiO4], etc. ).
Actualmente se obtiene aluminotérmicamente a partir del SiO2 y tratando el producto con clorhídrico en el que el silicio es insoluble. Otros métodos son posibles: reducción de sílice con carbono o carburo de calcio en un horno eléctrico con electrodos de carbono; reducción de SiCl4 con magnesio. En forma bastante pura se obtiene por reducción de SiCl4 con hidrógeno. Silicio hiperpuro se obtiene por reducción térmica de triclorosilano (HSiCl3) ultrapuro en atmósfera de hidrógeno y posterior fusión por zonas a vacío. El silicio amorfo se prepara en forma de polvo marrón que puede ser fundido o vaporizado fácilmente. Para producir monocristales perfectos usados en estado sólido o como semiconductores se emplea el método Czochralski.
El silicio cristalino tiene brillo metálico y color gris. Es duro (escala de Mohs: 7), quebradizo y con una estructura semejante a la del diamante. El silicio pulvurento marrón es cristalino, aunque el tamaño de las partículas es pequeño y su red presenta numerosas deformaciones. Es un elemento relativamente inerte, ya que forma una capa de SiO2 que lo pasiva; es atacado por los halógenos (con el flúor es muy violenta la reacción) a temperatura ambiente (produce tetrahalogenuros) y por los álcalis diluidos en caliente (forma silicatos). La mayoría de los ácidos no lo atacan, excepto el fluorhídrico mezclado con nítrico, para formar ácido hexafluorosilícico (H2SiF6, muy fuerte). Es un reductor enérgico. Arde en el aire por encima de 1000ºC formando SiO2 con gran desprendimiento de calor. Con los metales forma siliciuros. El silicio marrón es más reactivo, ya que tiene mayor superficie.
Es un semiconductor y su conductividad eléctrica aumenta con la temperatura. Su coeficiente de dilatación es muy bajo y al congelarse se expande. Transmite más del 95% de todas las longitudes de onda infrarroja (desde 1,3 a 6,6 micrómetros).
El silicio es uno de los elementos (y sus compuestos) más útiles para el hombre. El silicio hiperpuro puede doparse con boro, galio, fósforo o arsénico, con lo que aumenta su conductividad; se emplea para la fabricación de transistores, células solares, rectificadores y otros dispositivos de estado sólido ampliamente empleados en electrónica.
El silicio es un ingrediente importante del acero y el hierro (ferrosilicio). El silicio amorfo hidrogenado parece tener aplicaciones en células económicas para la conversión de energía solar en electricidad.
Entre sus compuestos:
La arena y arcilla (silicatos) se usan para fabricar ladrillos y hormigón; son un material refractario que permite trabajar a altas temperaturas.
El ácido metasilícico (H2SiO3) es un ácido débil. El metasilicato de sodio es una sal básica empleada en detergentes, por un lado, para tamponar, y por otro, para impedir que la suciedad entre en el tejido: los iones SiO3-2 se unen a las partículas de suciedad, dándoles carga negativa, lo que impide que se agreguen y formen partículas insolubles.
El ácido ortosilícico (H4SiO4) es también un ácido débil. Cuando se acidifica una solución de ortosilicato de sodio se obtiene un precipitado gelatinoso de sílice (silica gel) que tiene una gran superficie (unos 700 m2/g) y se emplea como agente desecante, soporte para catalizadores, cromatografía y aislante térmico.
Los silicatos son sales de los ácidos silícicos [metasilícico (H2SiO3)n, con n = 3, 4, 6; ortosilícico (H4SiO4), ortodisilícico (H6Si2O7),....). En muchos silicatos, algunos iones Si+4 están sustituidos por Al+3 (aluminosilicatos). Se usan para obtener esmaltes, cerámica, cemento, etc.
El óxido de silicio (SiO2, sólido duro, covalente macromolecular) es muy inerte químicamente. Se presenta en la naturaleza en el cuarzo y la arena (pequeños fragmentos de cuarzo de color dorado debido a impurezas de óxido de hierro). El pedernal es sílice con impurezas de carbón. Algunas piedras preciosas son sílice con impurezas: amatista (Fe3+). Reacciona con el ácido fluorhídrico que sirve para tallarlo. Los álcalis no lo atacan salvo fundidos, formando silicatos alcalinos. Debido a su inercia química y a su bajo coeficiente de dilatación térmica se emplea en la fabricación de crisoles, matraces, etc. Es transparente a la radicación ultravioleta de alta longitud de onda, por lo que se emplea en lentes, prismas, cubetas de espectroscopía y fibras de cuarzo en instrumentos ópticos para trabajar en este rango. La sílice (arena) es el principal ingrediente (junto con óxidos ácidos y básicos) del vidrio, uno de los materiales más baratos con unas excelentes propiedades mecánicas, ópticas, térmicas y eléctricas. El vidrio puede modelarse en una gran variedad de formas que se usan como contenedores (botellas, vasos,..), cristales de ventanas, aislantes eléctricos,......
Las siliconas (cadenas o anillos -O-Si-O- en los que algunos oxígenos han sido sustituidos por grupos -OH, CH3-, C2H5-, C6H5-,....) son también importantes productos del silicio, que se preparan hidrolizando un cloruro de silicio orgánico (como cloruro de dimetilsilicio) y condensándolo; así, utilizando varios clorosilanos sustituidos se obtienen un gran número de polímeros (siliconas) que se presentan desde líquidos a sólidos duros como el cristal con propiedades muy útiles para el hombre (juguetes, lubricantes, películas impermeables, cirugía estética), pues son resistentes al ataque químico y a la descomposición térmica, son flexibles. Estas propiedades dependen de la naturaleza de los sustituyentes y de su grado de entrecruzamiento. Los polímeros lineales de elevado peso molecular son parecidos a la goma, pero no son atacadas por el ozono; las siliconas líquidas son fluidas incluso a bajas temperaturas, mantienen su fluidez a altas temperaturas, a las que los aceites de hidrocarburos se descomponen.
El carburo de silicio (SiC, con impurezas es el carborundo), es tan duro como el diamante y se emplea como abrasivo importante, para componentes refractarios. También se ha usado para producir luz coherente de 456 nm.
El silicio es importante en la vida de animales y plantas. No es venenoso. Las diatomeas extraen sílice del agua para construir su pared celular. La tierra de diatomeas es un buen adsorbente. La sílice está presente en las cenizas de plantas y en el esqueleto humano.
Mineros, picapedreros y otros que trabajan en lugares donde hay grandes cantidades de polvo de sílice frecuentemente desarrollan una enfermedad pulmonar grave conocida como silicosis.
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©Antonio Jiménez